Введение

Газы, обычно используемые в нескольких процессах сварки. Газы экранирования – это инертные или полуинертные газы, которые широко применяются в различных процессах сварки, особенно в газометаллической дуговой сварке (GMAW) и газовольфрамовой дуговой сварке (GTAW), более известных как MIG (Metal Inert Gas) и TIG (Tungsten Inert Gas) соответственно. Их назначение – защитить зону сварки от воздействия кислорода и водяного пара. В зависимости от свариваемых материалов, эти атмосферные газы могут ухудшить качество сварного шва или затруднить процесс сварки. Другие виды дуговой сварки также используют альтернативные способы защиты сварки от атмосферы – например, при ручной дуговой сварке металлическим покрытым электродом используется флюс, который при горении образует углекислый газ, полуинертный газ, пригодный для защиты при сварке стали. Неправильный выбор сварочного газа может привести к образованию пористого и непрочного сварного шва или к чрезмерному разбрызгиванию металла; последнее, хотя и не влияет на качество шва, снижает производительность из-за необходимости очистки от разлетевшихся капель. Неосторожное использование защитных газов может привести к вытеснению кислорода, вызывая гипоксию и, как следствие, смерть.

Обычные экранирующие газы

Газы для защиты сварного шва делятся на две категории: инертные и полуинертные. Для сварки экономически целесообразно использовать только два благородных газа — гелий и аргон. Эти инертные газы применяются при газовольфрамовой дуговой сварке (TIG), а также при газометаллической дуговой сварке (GMAW) для сварки цветных металлов. К полуинертным, или активным, защитным газам относятся углекислый газ, кислород, азот и водород. Эти активные газы используются в GMAW при сварке черных металлов. Большинство этих газов в больших количествах могут ухудшить качество сварного шва, но при использовании в небольших, контролируемых количествах способны улучшить характеристики сварки.

Свойства

Важными свойствами защитных газов являются их теплопроводность и теплопередающие характеристики, их плотность относительно воздуха и легкость ионизации. Газы тяжелее воздуха (например, аргон) окутывают сварной шов и требуют меньшей скорости потока, чем газы легче воздуха (например, гелий). Теплопередача важна для прогрева сварного шва вокруг дуги. Ионизируемость влияет на легкость поджига дуги и необходимое напряжение. Защитные газы могут использоваться в чистом виде или в виде смеси двух-трех газов. При лазерной сварке защитный газ выполняет дополнительную роль, предотвращая образование облака плазмы над сварным швом, поглощающего значительную часть энергии лазера. Это особенно важно для CO2-лазеров; Nd:YAG-лазеры менее склонны к образованию такой плазмы. Гелий лучше всего справляется с этой ролью благодаря своему высокому потенциалу ионизации; газ способен поглощать большое количество энергии перед ионизацией. Аргон является наиболее распространенным защитным газом, широко используемым в качестве основы для более специализированных газовых смесей. Углекислый газ – наименее дорогой защитный газ, обеспечивающий глубокое проплавление, однако он негативно влияет на стабильность дуги и усиливает склонность расплавленного металла к образованию брызг. Углекислый газ в концентрации 1–2% обычно используется в смеси с аргоном для снижения поверхностного натяжения расплавленного металла. Другой распространенной смесью является 25% углекислого газа и 75% аргона для сварки GMAW. Гелий легче воздуха, поэтому требуется большая скорость потока. Это инертный газ, не взаимодействующий с расплавленными металлами. Он обладает высокой теплопроводностью. Его трудно ионизировать, что требует более высокого напряжения для поджига дуги. Благодаря более высокому потенциалу ионизации он создает более горячую дугу при более высоком напряжении, обеспечивая широкий и глубокий шов; это преимущество для алюминиевых, магниевых и медных сплавов. Часто добавляются другие газы. Смеси гелия с добавлением 5–10% аргона и 2–5% углекислого газа ("три-смесь") могут использоваться для сварки нержавеющей стали. Также применяются для сварки алюминия и других цветных металлов, особенно для более толстых сварных швов. По сравнению с аргоном, гелий обеспечивает более энергоемкую, но менее стабильную дугу. Гелий и углекислый газ были первыми используемыми защитными газами с начала Второй мировой войны. Гелий используется в качестве защитного газа при лазерной сварке CO2-лазерами. Гелий дороже аргона и требует более высокой скорости потока, поэтому, несмотря на свои преимущества, он может быть не самым экономически выгодным выбором для крупносерийного производства. Чистый гелий не используется для сварки стали, так как он вызывает нестабильную дугу и способствует образованию брызг. Кислород используется в небольших количествах в качестве добавки к другим газам, обычно в виде 2–5% добавки к аргону. Он повышает стабильность дуги и снижает поверхностное натяжение расплавленного металла, улучшая смачиваемость основного металла. Он используется для сварки с переносом брызг мягких углеродистых сталей, низколегированных и нержавеющих сталей. Его присутствие увеличивает количество шлака. Смеси аргона и кислорода (Ar O2) часто заменяются смесями аргона и углекислого газа. Также используются смеси аргона, углекислого газа и кислорода. Кислород вызывает окисление сварного шва, поэтому он не подходит для сварки алюминия, магния, меди и некоторых специальных металлов. Увеличение содержания кислорода приводит к окислению электрода защитным газом, что может привести к пористости в сварном шве, если электрод не содержит достаточного количества деоксидантов. Избыток кислорода, особенно при использовании в тех случаях, когда он не предусмотрен, может привести к хрупкости в зоне термического влияния. Смеси аргона и кислорода с 1–2% кислорода используются для аустенитной нержавеющей стали, когда использование аргона и CO2 невозможно из-за требуемого низкого содержания углерода в сварном шве; сварной шов имеет плотное оксидное покрытие и может потребовать очистки. Водород используется для сварки никеля и некоторых нержавеющих сталей, особенно более толстых деталей. Он улучшает текучесть расплавленного металла и повышает чистоту поверхности. Он добавляется к аргону в количествах, обычно не превышающих 10%. Его можно добавлять в смеси аргона и углекислого газа для нейтрализации окислительного действия углекислого газа. Его добавление сужает дугу и повышает температуру дуги, что приводит к лучшему проплавлению. В более высоких концентрациях (до 25% водорода) он может использоваться для сварки проводящих материалов, таких как медь. Однако его не следует использовать для сварки стали, алюминия или магния, так как это может привести к пористости и водородному охрупчиванию; его применение обычно ограничивается некоторыми нержавеющими сталями. Добавление оксида азота служит для снижения образования озона. Он также может стабилизировать дугу при сварке алюминия и высоколегированной нержавеющей стали. Для специальных применений могут использоваться другие газы, в чистом виде или в качестве добавок к смесям; например, гексафторид серы или дихлордифторметан. Гексафторид серы можно добавлять к защитному газу для сварки алюминия, чтобы связывать водород в зоне сварки и уменьшить пористость сварного шва. Дихлордифторметан с аргоном можно использовать для создания защитной атмосферы при плавке алюминиево-литиевых сплавов. Он снижает содержание водорода в алюминиевом сварном шве, предотвращая связанную с ним пористость. Однако использование этого газа сокращается, поскольку он обладает высоким потенциалом разрушения озонового слоя.

Приложения

Применение защитных газов ограничено, главным образом, стоимостью газа, стоимостью оборудования и условиями проведения сварки. Некоторые защитные газы, такие как аргон, являются дорогими, что ограничивает их использование. Оборудование для подачи газа также представляет собой дополнительные затраты, поэтому в определенных ситуациях могут быть предпочтительнее процессы, такие как сварка покрытым электродом, которые требуют менее дорогостоящего оборудования. Наконец, поскольку атмосферные движения могут приводить к рассеиванию защитного газа вокруг зоны сварки, процессы сварки, требующие защитных газов, часто выполняются в помещении, где среда стабильна и эффективно предотвращается попадание атмосферных газов в зону сварки. Желаемая скорость потока газа зависит, прежде всего, от геометрии сварного шва, скорости сварки, тока, типа газа и используемого режима переноса металла. Сварка плоских поверхностей требует более высокой скорости потока, чем сварка фасонных материалов, поскольку газ рассеивается быстрее. Как правило, более высокая скорость сварки означает, что для обеспечения достаточного покрытия необходимо подавать больше газа. Кроме того, более высокий ток требует большего потока, и, как правило, для обеспечения достаточного покрытия требуется больше гелия, чем аргона. Важно отметить, что четыре основных варианта GMAW имеют различные требования к скорости потока защитного газа. Для небольших ванн расплава при сварке коротким замыканием и импульсным распылением обычно достаточно около 10 л/мин (20 фут³/ч), в то время как для капельного переноса предпочтительна скорость около 15 л/мин (30 фут³/ч). Для режима распыления обычно требуется больше газа из-за более высокой тепловой мощности и, следовательно, большего объема ванны расплава – примерно 20–25 л/мин (40–50 фут³/ч).